基于DSP+ARM的分布式电源远程监控装置设计＊

李 鹏，张韶珍，唐金凤，刘凤雏

（广东电网有限责任公司韶关供电局，广东韶关512028）

1 引言

随着国家大力推进新能源的发展，电力电子技术在配电系统中获得迅猛发展，其主要以分布式电源的形式呈现，而分布式电源具有波动性、间歇性、离散型的特征，会造成电压偏差与电压波动、三相不平衡以及谐波电流等方面的电能质量问题，加之能源互联网的发展趋势下的大数据分析是对电能量数据有需求的，亟需加强对分布式电源的工作情况进行有效的监控，并对电能量数据进行分析处理［1-4］。针对上述问题，文献［5］提出的基于CISC单片机的光伏电站智能监控系统能够对光伏的温度、光照强度、发电量进行监控、报警，具有较高的准确性和高效性，但功能简单难以满足日趋复杂的监控要求。文献［6］设计了一套基于GPRS的分布式电源监控子站系统，其仅对电流、电压、开关量等信息进行采集，并未对采集到的信息作进一步的处理，未能给出较为详细、有用的信息进行分布式电源的协调控制，同时DSP主处理器的性能未能充分得到应用。文献［7］设计的分布式电源监控系统未结合实际需求考虑，功能冗余，硬件、软件结构复杂、对主站系统的的软硬件要求较高，性价比不高。本文提出了一种分布式电源远程监控装置的设计方案，通过对分布式电源的监测和协调控制，一方面可实现对分布式电源的有序利用及电能量数据的准确获取，另一方面可用于配网电能质量的协调治理，实现配电网的安全、可靠运行。

2 分布式电源远程监控装置的组成和工作原理

2.1 装置组成

分布式电源远程监控装置需要完成一系列的计算任务，包括各种电能质量和环境量数据的采集，谐波测量需要快速傅里叶变换（FFT），支持载波、Zig-Bee、3G和WiFi通信，同时能实现与用户的智能交互等功能。考虑到成本、功耗与计算能力的平衡，本设计采用DSP芯片与ARM芯片结合的双处理器架构。

DSP芯片采用TMS320F28335芯片，既负责电能质量和环境量数据的采集，也负责进行上行通信和下行通信，还包括对分布式电源接入电网进行操作控制。

ARM芯片采用ARM920T，配合LCD高清触摸屏，负责提供友好界面，与用户进行交互。

DSP芯片与ARM芯片结合的双处理器架构，其总体的框图如图1所示。

2.2 工作原理

分布式电源远程监控装置实现的功能主要包括各基本电量和环境量的测量、电能质量检测，支持多种通信方式，能快速安全地开断用电器，另外光伏接入的分布式电源远程监控装置还要求具备连续控制分布式光伏的能力。

图1 装置整体框架

图2 DSP及其电源电路

在工作时，装置通过各种互感器将线路的电压、电流、环境信号转换成电子电路可以处理的电平信号，信号放大与A/D转换后经隔离电路送至DSP处理，DSP将三相电压、电流信号做FFT、正负序分解后得到所需电能质量数据与环境数据，将其一同经ZigBee/电力载波上传，同时也将数据传输到ARM用于显示，ARM可通过3G/WiFi模块与后台进行数据交流获得调度后台指令命令至继电器，来控制分布式电源的通断。现场也可通过触控屏控制分布式电源，按键主要扩展调试、复位、开关机等操作。

3 分布式电源远程监控装置主要部分硬件设计

整体框架DSP及其电源电路是核心区域，其电路设计如图2所示。TMS320F28335芯片具有150MHz的高速处理能力，具备的高性能的32位浮点处理单元，使得其在进行FFT等复杂数字计算的时间缩短了一半。同时以专用的电源芯片双输出低压差稳压器TPS73HD301及滤波电容组成其电源电路，提供安全稳定的3.3V核心电压及1.8V接口电压，可保证装置运行的稳定性。

图3 电压、电流信号测量接线及原理框图

图4 信号放大电路

图5 A/D转换电路

为准确的采集电压、电流信号，本设计通过采用电阻分压测量电压信号，分压比例为1000：1，采用精密的锰铜合金贴片电阻为电流信号的采样电阻（R005），获取的电压、电流信号值经放大器INA129进行放大后由AD7606数据采集芯片进行模数转换，AD7606内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器以及200kSPS高吞吐率可保证对输入信号进行高精度采样。信号采集、放大、A/D转换电路设计分别如图3、图4、图5所示。

隔离电路采用ADuM7642磁耦合隔离芯片，负责将信号采集及放大电路与其他数字电路进行隔离，保证了低压数字电路的安全性。其电路设计如图6所示。

图6 隔离电路原理图

电力载波通信及电源电路、ZigBee通信模块分别负责分布式电源远程监控装置之间的低压电力线载波通信和ZigBee通信，其电路设计如图7、图8所示。载波通信模块ZPLC-10内置隔离电路，通过自恢复保险丝和压敏电阻直接接到火线和零线上，与DSP之间通过串行通信（SCI）进行通信；ZigBee通信模块DRF1605H与DSP之间同样通过串行通信（SCI）进行通信；分布式电源远程监控装置装置并联接入电力线中，通过LD12-20B12电源模块将220V交流电转换成12V直流电，为分布式电源远程监控装置内各器件供电。应当注意，为避免载波信号通过电源模块耦合到低压数字电路产生干扰，电源模块的220V输入侧需串联一个共轭电感以滤去高频载波信号。

图7 电力载波通信及电源电路原理图

图8 ZigBee通信模块原理图

3G部分和WiFi部分保证了装置在每时每地都能以无线连接的方式与外网相连接，可以实时地把接地线的检测状态以及地理位置同步到云端服务器，此时手机、电脑可通过网络访问该服务器，获取各个设备的状态信息，可实现各设备的远程监控。ARM中WiFi模块的电路设计如图9所示。

图9 ARM内Wi-Fi模块设计图

4 电能质量检测算法设计

分布式电源远程监控装置需选取合适的能实时反映系统电压和电流的检测方法，检测精度直接影响电能质量的补偿精度，同时还要考虑检测算法的实时性和数字化处理难易程度。

TMS320F28335芯片开发了相应的FFT库函数，使用方便且经过了算法优化，在同等运算下比直接使用C语言编写出来的函数效率要高。FFT库函数的输入为一组采样序列，输出谐波频域信息，具体包括各次谐波的幅值和相角，以及各次谐波的实部和虚部［8］。

本设计DSP采样频率为19.2kHZ，而FFT库函数的输入要求采样序列数是2的整数次方，故对19.2kHZ的信号采用下采样方式，使用线性插值方式将每三个点下采样为两个点，从而得到12.8kHZ的采样输入序列。即原一个工频周期有384个采样点，下采样有256个点。

以余弦为基底，输入一个N点离散采样信号序列：

式中，n=0，1…，N-1。

输出实部和虚部为：

输出幅值和相角为：

使用FFT库函数检测谐波正负序分量的过程如下：

对采样的三相物理量（电流或电压）进行Clark变换：

式（4）中，由于不再存在直流分量，因此下标从1开始。对式（4）的Uα、Uβ分别进行FFT变换，得到 Uα的实部 Uαreal和虚部 Uαimag，以及 Uβ的实部Uβreal和虚部 Uβimag，分别如式（5）、（6）所示：

根据式（5）、（6）则可以得到正序谐波分量的d轴直流分量U1d、q轴直流分量U1q，负序谐波分量d的轴直流分量U2d、q轴直流分量U2q：

式（7）、（8）可直接用于对应坐标轴下的 PI控制，同时也可使用相应旋转坐标下的反变换得到abc静止坐标下各次谐波的正负序分量数值。

同时，软件给出了DSP分析电能质量算法的代码设计过程（仅以电压5次谐波为例）：

5 结束语

本文给出了分布式电源远程监控装置的设计方案，包括基于TMS320F28335与ARM920T双核心的部分硬件和软件设计。装置能充分利用硬件性能，准确获取电能量数据及环境数据，同时数据上传可用与配电网的运行分析、协调治理，有线与无线通讯方式能够保证对分布式电源远程监控的可靠性，可加强对配网分布式电源的监控与配网电能质量的协调治理。